500 kV变电站自动化系统结构的探讨
发布时间：2010-05-10
来源：中国自动化网
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变电站自动化
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摘要：根据浙江省500 kV变电所自动化调研和双龙变的工程试点，探讨了500 kV变电所自动化系统的结构，通过对比，明确了分散式变电所自动化系统较集中式系统有更多的优越性。随着信息技术、通信技术的迅速发展，变电...
摘要：根据浙江省500 kV变电所自动化调研和双龙变的工程试点，探讨了500 kV变电所自动化系统的结构，通过对比，明确了分散式变电所自动化系统较集中式系统有更多的优越性。随着信息技术、通信技术的迅速发展，变电所自动化系统中各组成部分的可靠性和性能都有较大提高，为简化变电所自动化系统奠定了良好的技术基础。根据双龙变的变电所自动化系统实施情况，提出了简化所级计算机系统、站级计算机网络采用单以太网、取消（减少）保护管理机、采用网络新技术、在低压系统采用一体化装置等优化变电所自动化系统结构的建议。
关键词：变电所自动化系统；分散式变电所自动化系统；集 中式变电所自动化系统
1 引言
随着浙江省电力系统的迅速发展，500 kV系统逐步将成为浙江省的主网。为了提高500 kV变电所的安全经济运行水平，根据现代微机技术和网络通信技术的发展，浙江省积极探讨500 kV变电所自动化系统的结构，并在双龙变进行了工程试点。
浙江省的500 kV变电所已有十多年的运行历史，从第一座500 kV瓶窑变开始，在二次系统的设计上，就比原有220 kV变电所提高了一个技术档次，如兰亭变引进了先进的RTU设备，并以此为基础，利用计算机数据接口，设置了当地监视功能，为变电所的安全运行和调度员及时了解系统运行情况，提供了有力的帮助。
但这种常规的监控系统加上以增强型RTU设备为主构成的计算机监测系统，在运行中也暴露了一些不足之处：
（1）正常运行时的操作控制以常规的监控系统为主，计算机监测系统只是作为辅助的监视手段；
（2）采集的信息按调度需要为准，采集的信息偏少，难以满足变电所运行监视的需要；
（3）限于当时的技术水平，系统未能很好地解决遥信误发的问题；
（4）缺乏必要的控制功能，限制了变电所自动化功能的综合，如电压自动调节功能需外部装置实现，变电所的电气操作联锁需要外部接线实现。
随着计算机技术和通信技术的发展，以增强型RTU设备为主构成的计算机监测系统增加了对一次设备的控制功能，在综合部分变电所自动化有关功能后，也能构成变电所自动化系统（简称集中式系统）。同时，国内外也推出了按电气间隔布置的分散分布式结构的变电所自动化系统（分散式系统）。
集中式系统是从增强型RTU发展起来的，为节约硬件成本，将模件按四遥功能分，并把整个变电所作为监控对象。比较典型的做法是模件按功能分为开关量输入板、开关量输出板、模拟量输入板等。
以开关量输入板为例，在一块模件上，集成16甚至32个输入点，将全所的开关量统一安排，虽然投资较省，但却给扩建和日常维护带来一定困难，集中式系统和分散式系统的比较如表1所示。
应该说，分散式系统的技术优越性是明显的，这也是某些传统的RTU生产厂家推出分散式系统的原因。在双龙变建设期间，由于取消了常规的RTU设备、操作继电器屏、操作闭锁设备，节约电缆等原因，节约费用约605万元；双龙变采用分散式系统后，对变电所实现了全面的监控，成为变电所实时监测和控制的有效手段，在设备异常告警和事故分析等方面表现突出，得到了运行单位的肯定。
2 双龙变电所自动化系统结构的实现
双龙变自动化系统如图1所示，就地的状态信号、告警信号和交流量输入各间隔的输入／输出单元，经串行通信送到本小室的主单元（部分信号直接接入主单元），通过规约转换器送到站级以太网，经主机数据处理后，在人机工作站上显示有关信息，部分信息经主备通信机送三级调度；微机型保护有关信息经保护管理机送到站级系统；采用相对独立的硬件完成电气联锁。
系统主要存在以下不足：
（1）信息上送的转换环节较多，一定程度上影响了信息上送的实时性；
（2）鉴于当时的技术水平，同期装置和开关操作联锁系统均为独立的装置，系统采用的设备较多，价格较高；
（3）未采用分散数据库；
（4）间隔层输入／输出单元的信号输入点数比较少，不少信号只能接入主单元；
（5）站级计算机系统过于复杂。
3 分层分散式自动化系统结构的探讨
随着变电所自动化系统技术和相关计算机技术、通信技术的发展，已有解决上述问题的可能性。间隔层的输入／输出单元的容量已大大增加，能满足一个电气单元对输入／输出量的要求，不少输入／输出单元提供了大液晶屏作为就地的操作界面，装置整合了可编程逻辑功能（PLC）功能，能实现电气操作联锁，同期功能也能在输入／输出单元的内部实现。笔者建议的变电所自动化系统如图2所示。在间隔层，按电气间隔配置输入／输出单元，各单元通过（LON）网等现场总线接入就地数据处理机，就地数据处理机既作为分层数据处理，完成不同电压等级间隔层设备的数据交换，同时又作为现场总线和站级以太网的协议转换，保证间隔层设备的相对独立性。此自动化系统与双龙变的主要不同点如下：
（1）站级计算机网络采用单网，而不采用双网
站级以太网采用双网，主要是为了提高网络的可靠性和系统的可用率，并不能提高网络的传输带宽和效率，从双龙变的运行实践来看，网络的可靠性是很高的，运行至今，双网没有发生过网络切换，也没有出现网络异常，但双网的管理占用了一定的系统资源，反而给系统运行带来不稳定，并造成初期投资较高。双网可以有限提高系统的可用率，但网络设备中，除了光缆，更换都比较方便，因此采用单网时，可以在施工阶段，预留长光缆，便于光缆故障时，紧急更换，即可保证系统的可用率。
（2）调整站级计算机功能，减少站级计算机总量
在变电所内，离线的管理功能占用主机资源是不合理的，双龙变在调试阶段，发生过由于过多的管理进程打开后，没有及时关闭，致使主机资源被占用过多，影响了系统的稳定性。为此，在建议的站级计算机系统中，仅保留实时的监视和控制功能，将离线的管理功能从实时系统中隔离出去，在变电所的信息管理系统（MIS）中统一考虑，信息通过新增的网关／工程师工作站传输到MIS，网关／工程师工作站负责信息转发和系统维护，并在站级以太网上，预留维护接口，在需要的时候（如自动化设备定期校验），可以外接笔记本计算机以用于系统的检修维护，而不必占用运行人员的人机工作站。这样，主机的主要工作是完成全站的协调工作和部分自动化功能，如电压无功自动调整，就降低了主机的负荷，可以将主机和人机工作站合并，以减少站级计算机数量。同时，取消保护管理计算机，取消小室的规约转换器，采用就地数据处理机，负责数据的前处理和数据的分流传输，从而减少了站级计算机数量。
（3）保护与输入／输出单元的串口直接通信或独立组网，取消（减少）保护管理机对于500kV变电所，国内的惯例是保护和自动化系统分别招标，一般来说，保护和自动化系统不是同一厂家的，造成保护和自动化系统之间通信接口的困难，为了解决此问题，双龙变采用保护管理机通过RS232口与保护通信，并进行保护通信规约的转换，将保护信息接入站级计算机系统。随着国际组织标准化工作的开展，保护已经有了标准的通信规约，如IEC870－5－103，这样，就可以将保护直接接入相应电气间隔的输入／输出单元。保护直接接入对应间隔的输入／输出单元，可以取消保护管理机，简化了站级计算机系统，电气间隔的概念也更清楚。
对于支持组网的保护装置，也可以单独组网，全站统一配置保护管理机，而不是按照小室配置，减少保护管理机的数量。
如果保护装置和自动化系统的输入／输出单元能考虑统一组屏，更能节省电缆和屏位，简化部分二次回路设计，降低工程造价。
（4）35kV采用保护和输入／输出单元一体化装置
实践证明在低压系统采用保护和自动化一体化装置是切实可行的，500kV变电所的35kV系统，只配置了电容和电抗器，保护是简单的电压电流保护，采用保护和自动化一体化装置，在技术上是完全可行的，也可以节约投资。
（5）电气联锁系统的简化和改进
双龙变采用独立的硬件实现全站的电气联锁，保证了双龙变的操作安全和可靠，但由于操作方式限制，对于手动操作的220kV系统的接地刀闸，只能采用硬线逻辑实现电气联锁。随着变电所自动化系统的发展，不少厂家在输入／输出单元中整合了PLC功能，直接利用输入／输出单元实现电气联锁。
从电气联锁实现的一次设备状态相关性来看，本电气间隔的一次设备的状态关联程度最大，其次是同电压等级的电气单元的一次设备的状态，对于主变间隔，主变三侧的接地刀闸状态需要互送。根据上述信息流量，建议同电压等级的输入／输出单元用现场总线互联，这样同电压等级的电压闭锁可以完换信息，数据处理机不宜按小室配置。由于主变三侧与电气联锁有关的状态量的数量不多，也可以利用输入／输出单元的输入点接入，后者操作的独立性更强，有其优点。利用 PLC，可以方便地输出允许式接点，利用电磁锁实现手动操作的一次设备的操作联锁；还可以利用输入／输出单元的线路电压输入，来实现线路无压检查，整合到电气联锁逻辑中有其优越性。
（6）采用网络新技术提高系统的实时性
从数据流向看，由于采用了就地数据处理机，到变电所内的数据和到调度的数据可以在此分流。利用同一个所级以太网，主要目的是降低投资，特别是随着网络技术的发展，100MB／s的快速以太网技术提供了10倍于常规以太网的带宽；常规以太网，对于每个接点而言，有效带宽远达不到10MB／s，新的交换式以太网技术为网上每个接点提供了10MB／s带宽。采用虚拟网络技术，可以在同一个物理网上，构造几个虚拟的逻辑网，将所内信息和调度信息分流，提高网络效率。综合采用上述网络新技术，虽然从物理上看，只是一个以太网，但实际的网络传输效率可大大超过常规以太网，可提高系统的实时性。
按照建议的结构，就调度通信这一功能，对于就地数据处理机而言，面对的是一个调度，由主备通信机根据三级调度的不同要求，将数据加工后送往三级调度。当然，也可以从就地数据处理机直接用串口与调度通信。
总之，在保证变电所安全运行的基础上，应尽量简化变电所自动化系统，以降低造价，增加系统运行的可靠性。
4 结语
从现有的技术条件来看，建议的变电所自动化系统的结构是能实现的。该系统结构简单清楚，能保证变电所的安全、可靠运行。但变电所自动化系统的建设并不仅仅是一个技术问题，由于系统涉及变电所内的方方面面，需综合考虑各方面的要求，才能得到可供实施的方案。
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